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車用圖像傳感器參數(shù)小議——信噪比

  安森美中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程經(jīng)理 William Chen

         智能駕駛?cè)缃駶u漸成為汽車的一個常見功能，它增強(qiáng)了汽車和駕駛員的感知能力，降低了駕駛員的工作強(qiáng)度，同時可以有效提高行車的安全性。這其中，基于CMOS 圖像傳感器的攝像頭是智能駕駛系統(tǒng)感知外界環(huán)境的主要工具之一。

          CMOS圖像傳感器是成像sensor，它本質(zhì)上是一個存儲器和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）的組合?；诠璧墓怆娦?yīng)，入射光線會在傳感器像素的感光二極管中激發(fā)電荷，電荷被收集存儲，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。

Figure 1光電效應(yīng)

         從架構(gòu)上看，CMOS圖像傳感器類似于一個存儲器memory，它有大量存儲單元，支持行和列的尋址操作，區(qū)別在于存儲器是電路寫入內(nèi)容，而sensor中的內(nèi)容是可見光或近紅外光線寫入的。

         傳感器收集到的電荷包括兩部分：一部分是我們期望的電荷，來源于環(huán)境光線所激發(fā)的有效信號；另一部分是用戶不希望的干擾產(chǎn)生的電荷，干擾來源有很多種，一般統(tǒng)稱為噪聲。

        我們希望圖像中的有效信息越多越好，干擾噪聲越少越好。一個常見的衡量圖像噪聲效果的指標(biāo)是信噪比SNR，即信號與噪聲的比值。信噪比越大，圖像噪聲相對含量越少，圖像質(zhì)量越好。SNR的單位可以是比值，也可以轉(zhuǎn)成對數(shù)單位dB。

         CMOS sensor的數(shù)據(jù)手冊一般都會提供信噪比參數(shù)SNR，如下所示。

         有一個常見的問題：46dB信噪比的sensor是不是比43dB的sensor低照效果更好？

         答案是未必，脫離條件的結(jié)論往往會掉到坑里。

         SNR不是一個點(diǎn)，它是光照條件的函數(shù)，如圖2，SNR會隨著光照強(qiáng)度變化變成一條曲線。當(dāng)它作為低照效果指標(biāo)時，要求選取低照條件下的SNR值。而業(yè)內(nèi)sensor數(shù)據(jù)手冊上的SNR參數(shù)通常是SNR最大值，對應(yīng)于光照環(huán)境非常明亮?xí)r的SNR值，即圖中藍(lán)色SNR曲線右上角的SNR Max點(diǎn)。而藍(lán)線位于左下角區(qū)域的SNR值才適合作為評估低照的參數(shù)，此時的光照不足，對應(yīng)于低照環(huán)境。這就像賣蘋果，放在上面一層是最好的，你需要翻開籃子，看看里面蘋果的質(zhì)量如何。

Figure 2信噪比SNR曲線

         依據(jù)最大SNR點(diǎn)來評判sensor有以偏概全的問題。根據(jù)需要，用戶可以選取特定曝光條件Exposure對應(yīng)的SNR大小來評判低照噪聲，SNR越大越好；也可以限定SNR為某個固定值，例如SNR=5時，用此時需要的曝光條件Exposure值大小來評判低照噪聲，Exposure值越小意味著達(dá)到同等SNR時需要的光照資源越少，sensor的低照性能越好。

         圖2顯示的是普通sensor的SNR，是單調(diào)遞增的曲線。汽車上使用的CMOS sensor，為了匹配全天候應(yīng)用場景，需要很高的動態(tài)范圍HDR，HDR常用方法是改變sensor的靈敏度，對環(huán)境的不同亮度分別采樣，再把多次采樣的圖像幀映射到標(biāo)準(zhǔn)化的線性數(shù)據(jù)空間，最后從不同靈敏度幀中選取合適像素，拼成一張完整的圖像幀，參見《車用圖像傳感器參數(shù)小議——動態(tài)范圍》。

         sensor的靈敏度變化，對應(yīng)于坐標(biāo)系中的SNR線移動到不同的位置，最終HDR圖像的SNR曲線演變成多條SNR曲線的擬合結(jié)果，例如圖3的藍(lán)線，它不再是一條單調(diào)遞增曲線，除了低照SNR會很小以外，高亮區(qū)間還會出現(xiàn)多個局部極小值，當(dāng)工作點(diǎn)落在SNR跌落區(qū)間時，即便此時環(huán)境很亮，噪聲也會惡化。

         這在圖像上會出現(xiàn)一個違背人眼感知習(xí)慣的現(xiàn)象，即隨著亮度增強(qiáng)，圖像的質(zhì)量會從差到好，然后又突然惡化的情況。因此與傳統(tǒng)線性sensor不同，車用寬動態(tài)sensor的信噪比還需要評估高亮條件下的極小值指標(biāo)。

Figure 3 HDR圖像的SNR

Figure 4 SNR和噪聲

         車用sensor的SNR是一條非單調(diào)的曲線，汽車應(yīng)用環(huán)境會讓問題變得更復(fù)雜。sensor是一個模擬器件，在ADC之前，信號和噪聲數(shù)據(jù)是以電荷的形式存儲的，sensor的暗電流也會累積電荷，其產(chǎn)生速度大致上與曝光時長成正比，與溫度呈指數(shù)關(guān)系。所以我們還必須考慮溫度，曝光時長以及模擬增益對暗態(tài)噪聲的影響。SNR同時是溫度，曝光時間和模擬增益的函數(shù)，它的曲線已經(jīng)變成多維的曲線簇了。

         以溫度影響為例，圖5是SNR=10時需要的Exposure值隨sensor內(nèi)部溫度升高的變化趨勢，我們可以看到，不同sensor對溫漂的敏感度是不一樣的，這兩個sensor的SNR曝光值在60°C時發(fā)生交叉，意味著在室溫25℃和高溫80℃分別評估時，得出的SNR結(jié)論截然相反。

Figure 5 晶圓內(nèi)部溫度影響

        按照車用攝像頭有效使用生命周期的溫度分布，超過88%的生命周期內(nèi)，sensor內(nèi)部的節(jié)溫超過40℃，超過80%時間內(nèi)節(jié)溫超過60℃，超過65%時間內(nèi)節(jié)溫超過80℃。

         溫漂影響會導(dǎo)致SNR曲線發(fā)生進(jìn)一步變化。如圖6紅色虛線示意，當(dāng)溫度升高后，SNR曲線在低照區(qū)域和高亮局部區(qū)域會繼續(xù)下跌。

Figure 6 溫度對HDR SNR影響

        目前業(yè)內(nèi)對車用圖像傳感器SNR的評估，常采用歐洲機(jī)器視覺協(xié)會的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)來測試。EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)中的信噪比SNR，是基于傳統(tǒng)單調(diào)的線性sensor模型來定義的，對于車用寬動態(tài)圖像傳感器 SNR特性的描述并不完善。電氣與電子工程師協(xié)會IEEE正在為汽車影像定義新的質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)P2020，作為工作組成員之一，安森美公司承擔(dān)了IEEE P2020標(biāo)準(zhǔn)中圖像噪聲標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，其中就包括了SNR參數(shù)。

         最后總結(jié)一下，車用CMOS圖像傳感器的信噪比SNR是一個關(guān)鍵的圖像質(zhì)量指標(biāo)，它具有非單調(diào)特性，受到汽車應(yīng)用環(huán)境的多因素影響，對SNR的評估是一個多維的綜合評判工作，客觀全面的SNR評價才能真實(shí)描述sensor的性能，正確指導(dǎo)車用成像產(chǎn)品的開發(fā)工作。